Ripoti ya Kiufundi: Mtandao Unaolenga Taarifa Unaozingatia Nishati Mbadala

1. Utangulizi

Sekta ya Teknolojia ya Habari na Mawasiliano (ICT) ni mtumiaji mkubwa na unaokua wa nishati duniani, na inachangia kwa kiasi kikubwa katika uzalishaji wa gesi chafu. Mbinu za jadi za kuifanya ICT iwe ya kijani kibichi zimezingatia vituo vikubwa vya data vilivyokusanywa, vinavyotumia nishati mbadala. Hata hivyo, mfano huu unawekewa mipaka na vikwazo vya kijiografia na hali isiyo thabiti ya nishati mbadala (k.m., jua, upepo). Karatasi hii, "Mtandao Unaolenga Taarifa Unaozingatia Nishati Mbadala," inashughulikia pengo hili kwa kupendekeza muundo mpya, uliosambazwa. Wazo la msingi linatumia uhifadhi ndani ya mtandao kwenye vielekezi—kila kimoja kikiwa na hifadhi na kinachotumia nishati mbadala ya ndani—ili kuleta maudhui karibu na watumiaji na kutumia kwa busara nishati ya kijani kibichi iliyosambazwa kijiografia.

2. Suluhisho Lililopendekezwa

Mfumo uliopendekezwa ni muundo wa tabaka mbili ulioundwa ili kuongeza matumizi ya nishati mbadala katika mtandao wa vituo vya maudhui.

2.1. Muhtasari wa Muundo wa Mfumo

Mfumo hubadilisha mtandao kutoka kuwa miundombinu ya kupeleka pakiti tu kuwa jukwaa la usambazaji wa maudhui linalozingatia nishati na kusambazwa. Kila kielekezi hufanya kazi kama nodi ya uhifadhi inayowezekana, ikitumia chanzo chake cha nishati mbadala (paneli za jua, turbine za upepo). Kielezo cha kati au itifaki iliyosambazwa hushirikiana kati ya upatikanaji wa nishati na uwekaji wa maudhui.

2.2. Tabaka la 1: Uelekezaji Unaozingatia Nishati Mbadala

Tabaka hili linawajibika kwa kutafuta njia katika mtandao zinazokuza matumizi ya vituo vilivyotumia nishati mbadala kwa sasa. Linatumia itifaki ya uelekezaji iliyosambazwa kulingana na mwinuko. Kila kielekezi hutangaza kiwango chake cha nishati mbadala kinachopatikana. Maamuzi ya uelekezaji hufanywa kwa kupeleka maombi kwa majirani wenye "miinuko ya nishati ya kijani kibichi" ya juu, na hivyo kuunda njia ambazo ni "za kijani kibichi zaidi". Kipimo cha msingi kinaweza kufafanuliwa kama upatikanaji wa nishati mbadala $E_{ren}(t)$ kwenye kielekezi $i$ kwa wakati $t$.

2.3. Tabaka la 2: Utaratibu wa Kuhifadhi Maudhui

Mara tu njia yenye nishati mbadala ya juu inapotambuliwa, tabaka hili hukusanya maudhui maarufu kutoka kituo cha asili cha data na kuyahifadhi kwenye vituo vilivyo kwenye njia hiyo. Hii inatumika kwa madhumuni mawili: (1) inapunguza ucheleweshaji wa baadaye kwa watumiaji karibu na njia hiyo, na (2) inabadilisha matumizi ya nishati ya kutoa maudhui hayo kutoka kwenye kituo cha data kinachoweza kutumia nishati isiyo safi hadi kwenye vituo vilivyotumia nishati safi. Sera za uwekaji na ubadilishaji wa uhifadhi huzingatiwa kwa kuzingatia hali ya nishati mbadala ya kielekezi.

3. Maelezo ya Kiufundi & Mfano wa Hisabati

Uamuzi wa uelekezaji unaweza kuonyeshwa kama kutafuta njia $P$ kutoka kwa mteja hadi chanzo cha maudhui (au uhifadhi) ambayo inakuza faida ya jumla ya nishati mbadala. Kazi ya lengo iliyorahisishwa ya uteuzi wa njia inaweza kuwa:

$\max_{P} \sum_{i \in P} \alpha_i \cdot E_{ren}^i(t) - \beta \cdot Latency(P) - \gamma \cdot Hop\_Count(P)$

Ambapo:

• $E_{ren}^i(t)$: Nishati mbadala inayopatikana kwenye kielekezi $i$ kwa wakati $t$.
• $\alpha_i$: Kipimo cha uzito kwa nishati ya kielekezi $i$ (inaweza kutegemea ukali wa kaboni).
• $Latency(P)$: Ucheleweshaji wa mwisho-hadi-mwisho unaokadiriwa wa njia $P$.
• $Hop\_Count(P)$: Idadi ya kuruka kwenye njia $P$.
• $\beta, \gamma$: Vigezo vya kurekebisha ili kusawazisha matumizi ya nishati na utendaji.

Mkakati wa uhifadhi unaweza kutumia kazi ya faida kwa maudhui $c$ kwenye kielekezi $i$: $U_i(c) = \frac{Popularity(c)}{Size(c)} \times E_{ren}^i(t)$. Maudhui yenye faida ya juu yanapendelewa kuhifadhiwa.

4. Usanidi wa Majaribio & Matokeo

4.1. Usanidi wa Kituo cha Majaribio

Waandishi walijenga kituo cha majaribio kwa kutumia data halisi ya hali ya hewa (mnururisho wa jua na kasi ya upepo) kutoka maeneo mbalimbali ya kijiografia ili kuiga pato la nishati mbadala kwa kila kielekezi. Miundo ya mtandao iliigwa ili kuwakilisha mitandao halisi ya ISP. Mienendo ya maombi ya maudhui ilifuata usambazaji wa aina ya Zipf.

4.2. Vipimo Muhimu vya Utendaji

• Matumizi ya Nishati Mbadala: Asilimia ya nishati ya jumla inayotokana na vyanzo vya nishati mbadala.
• Kupunguzwa kwa Mzigo wa Kituo cha Data: Kupungua kwa maombi yanayotolewa moja kwa moja na kituo cha asili cha data.
• Uwiano wa Kupata Uhifadhi: Kiwango ambacho maombi hutolewa na vihifadhi ndani ya mtandao.
• Ucheleweshaji: Muda wa wastani wa kutoa maudhui.

4.3. Matokeo & Uchambuzi

Majribi yalionyesha ongezeko kubwa la matumizi ya nishati mbadala ikilinganishwa na muundo wa msingi wa ICN bila uelekezaji unaozingatia nishati. Kwa kuelekeza trafiki kupitia njia "za kijani kibichi" na kuhifadhi maudhui huko, mfumo ulipunguza kwa ufanisi mzigo wa kazi kwenye kituo kikuu cha data. Ulinganisho muhimu ulioonekana ulikuwa ongezeko la ucheleweshaji wa wastani au urefu wa njia, kwani njia fupi zaidi sio kila wakati ndiyo ya kijani kibichi zaidi. Hata hivyo, sehemu ya uhifadhi ilisaidia kupunguza hili kwa kuleta maudhui karibu na ukingo baada ya muda. Matokeo yanathibitisha uwezekano wa mbinu ya tabaka mbili katika kusawazisha malengo ya nishati na utendaji.

5. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Hali: Huduma ya kutiririsha video wakati wa mchana barani Ulaya. Utumiaji wa Mfumo:

1. Kuhisi Nishati: Vituo vya Kusini mwa Ulaya (pato la juu la jua) huripoti $E_{ren}$ ya juu.
2. Uelekezaji wa Mwinuko: Maombi ya watumiaji kutoka Ulaya ya Kati huelekezwa kuelekea nodi hizi za Kusini zenye nishati nyingi.
3. Uhifadhi wa Kukusudia: Video inayovuma huhifadhiwa kwenye vituo vilivyo kwenye "ukanda wa kijani kibichi" uliowekwa huu.
4. Maombi Yanayofuata: Maombi ya baadaye kutoka kwa watumiaji wa Ulaya ya Kati au hata Kaskazini hutolewa kutoka kwa vihifadhi vya kijani kibichi vya Kusini, na hivyo kupunguza trafiki ya kuvuka Ulaya na kutumia nishati ya jua.

Mtiririko wa Kazi (Bila Msimbo): Hii inaweza kuonyeshwa kama kitanzi cha mrejesho unaoendelea: Fuatilia Nishati -> Sasisha Ramani za Mwinuko -> Elekeza Maombi -> Rekebisha Uwekaji wa Uhifadhi -> Rudia.

6. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Karatasi hii sio tu kuhusu mitandao ya kijani kibichi; ni dau la busara kwenye uwekezaji wa fedha wa kaboni na ucheleweshaji. Inadai kuwa miundo ya gharama ya mtandao ya baadaye itajumuisha mikopo ya kaboni na kutofautiana kwa vyanzo vya nishati, na kufanya hali ya nishati mbadala ya kielekezi kuwa kipimo cha kwanza cha uelekezaji, muhimu kama upana wa bendi au idadi ya kuruka. Waandishi kimsingi wanapendekeza injini ya nguvu, iliyosambazwa ya "ubadilishaji wa kaboni" kwa data.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni ya kulazimisha lakini inategemea siku zijazo maalum: 1) Uwekaji wa nodi za ukingo zinazotumia nishati mbadala (jambo gumu kwa ISP nyingi zinazolenga gharama). 2) Msukumo wa udhibiti au soko unaofanya upana wa bendi "usiokavu" kuwa wa gharama zaidi kuliko upana wa bendi "wa kijani kibichi". Mtiririko wa kiufundi—kutumia miinuko ya nishati kwa uelekezaji na uhifadhi—ni mzuri, unakumbusha jinsi TCP inavyojiepusha na msongamano, lakini inatumika kwa bajeti ya kaboni.

Nguvu & Kasoro: Nguvu yake ni muundo wake wa mfumo unaovutia na unaozingatia jumla. Inaendelea zaidi ya ufanisi wa kituo cha data kilichojitenga, kama juhudi za Google zilizorekodiwa katika ripoti zao za ufanisi wa vituo vya data, hadi kwenye uboreshaji wa mtandao mzima. Hata hivyo, kasoro yake ni utendaji wake wa vitendo. Mzigo wa usambazaji wa hali ya nishati ya wakati halisi na uratibu unaweza kuwa mkubwa sana. Pia inadhania kuwa maudhui yanaweza kuhifadhiwa na kuwa maarufu—hafanisi kwa data ya pekee, ya wakati halisi. Ikilinganishwa na mbinu zinazolenga vifaa kama matumizi ya kubadilisha kwa mwanga au chips maalum za nguvu ya chini, hili ni suluhisho lenye programu nyingi ambalo linaweza kukabiliwa na msuguano wa uwekaji.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa waendeshaji wa simu, ujumbe wa haraka sio uwekaji kamili bali majaribio. Anza kwa kusanidi nodi za mtandao katika mitandao midogo ya umeme au vituo vya msingi vinavyotumia nishati ya jua na kutumia mantiki hii kwa trafiki isiyo muhimu kwa ucheleweshaji kama trafiki ya rudufu au usawazishaji. Kwa wanaoanzisha sera, karatasi hii ni mfano wa jinsi SLA zinazozingatia kaboni zinaweza kutekelezwa kiufundi. Jumuiya ya watafiti inapaswa kuzingatia kurahisisha ndege ya udhibiti—labda kukopa kutoka kwa falsafa ya CycleGAN ya kujifunza ramani kati ya nyanja (muundo wa mtandao na ramani za nishati) ili kupunguza mzigo wa itifaki.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

• Ujumuishaji na Uhisabati wa Ukingo wa 5G/6G: Seva za MEC (Uhisabati wa Ukingo wa Ufikiaji Mwingi) ni wagombea wa asili kwa mfano huu, wakiwa na programu na kuhifadhi maudhui kulingana na upatikanaji wa nishati mbadala ya ndani.
• Blochain na Mitandao ya Nishati Iliyosambazwa: Hali ya uelekezaji inayozingatia nishati inaweza kurekodiwa kwenye daftari, na kuwezesha uthibitishaji wa uwazi wa "usafirishaji wa data wa kijani kibichi" kwa ajili ya ripoti za uendelevu wa kampuni.
• Kujifunza kwa Mashine kwa Utabiri: Kutumia utabiri wa hali ya hewa na data ya kihistoria ili kutabiri $E_{ren}(t+\Delta t)$ na kuhamisha maudhui mapema au kupanga hesabu, sawa na usawazishaji wa mzigo katika vituo vya data vya wingu.
• Uanzishwaji wa Viwango vya Vipimo vya Kijani Kibichi: Kuunda viwango vya IETF au IEEE vya kutangaza chanzo cha nishati cha kielekezi na ukali wa kaboni, sawa na "dondoo la lishe" kwa njia za mtandao.
• Mazingatio ya Mitandao ya Quantum: Vipitishi vya quantum vinapotokea, mahitaji yao makubwa ya nishati ya kupoeza yanaweza kujumuishwa katika mfumo wa uelekezaji unaozingatia nishati kama huu tangu mwanzo.

8. Marejeo

1. Mineraud, J., Wang, L., Balasubramaniam, S., & Kangasharju, J. (2014). Technical Report – Renewable Energy-Aware Information-Centric Networking. Chuo Kikuu cha Helsinki.
2. Google. (n.d.). Vituo vya Data vya Google: Ufanisi. Imepatikana kutoka https://www.google.com/about/datacenters/efficiency/
3. Zhu, J., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Katika Proceedings of the IEEE international conference on computer vision (ukurasa 2223-2232).
4. Bari, M. F., et al. (2013). Survey of Green Cloud Computing. Jarida la Supercomputing.
5. Shirika la Nishati la Kimataifa (IEA). (2022). Vituo vya Data na Mitandao ya Usafirishaji wa Data. IEA, Paris.